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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Y자형 절단은 부드러운 재료의 파괴 관련 길이 스케일과 에너지를 측정합니다. 이전 장치는 벤치탑 측정을 위해 설계되었습니다. 이 프로토콜은 설정을 수평으로 향하게 하고 광학 현미경을 통해 현장 보기와 고장 정량화에 필요한 미세 위치 지정 기능을 제공하는 장치의 제조 및 사용을 설명합니다.
Y 자형 절단은 최근 재료의 임계 길이 스케일과 파손 에너지뿐만 아니라 과도한 변형 에너지가있는 경우의 파손 반응을 이해하는 유망한 방법으로 나타났습니다. 이 연구에 사용 된 실험 장치는 수직 방향이었고 Y 자형 다리 사이의 각도를 조정하기 위해 번거로운 단계가 필요했습니다. 수직 방향은 표준 광학 현미경에서 시각화를 금지합니다. 이 프로토콜은 기존의 도립 현미경 스테이지 위에 수평으로 장착되고 대물렌즈의 시야 내에 포함되도록 3차원(X-Y-Z)으로 조정할 수 있으며 다리 사이의 각도를 쉽게 수정할 수 있는 Y자형 절단 장치를 제공합니다. 후자의 두 가지 기능은이 실험 기술에 새로운 기능입니다. 제시된 장치는 1mN 정확도 내에서 절삭력을 측정합니다. 이 기법의 기준 물질인 폴리디메틸실록산(PDMS)을 테스트할 때 132.96 J/m2의 절단 에너지(32° 다리 각도, 75 g 예압)를 측정한 결과 수직 설정(132.9 J/m 2 ± 3.4 J/m2)으로 측정한 이전 측정의 오차 내에 있는 것으로 나타났습니다. 이 접근법은 연질 합성 물질, 조직 또는 바이오 멤브레인에 적용되며 실패 중 행동에 대한 새로운 통찰력을 제공 할 수 있습니다. 이 작업의 부품, CAD 파일 및 자세한 지침 목록은 이 강력한 기술을 쉽게 구현할 수 있는 로드맵을 제공합니다.
비선형 연속체 역학은 연질 고체에서 실패로 이어지는 에너지 집중을 이해하는 데 중요한 렌즈를 제공했습니다1. 그러나, 이러한 실패의 정확한 예측은 또한 균열 팁 2,3에서 새로운 표면 생성에 기여하는 미세 구조적 특성에 대한 설명을 필요로 한다. 이러한 설명에 접근하는 한 가지 방법은 고장 4,5 동안 균열 팁의 현장 시각화를 사용하는 것입니다. 그러나 일반적인 원거리 파괴 테스트에서 균열 무뎌짐은 잠재적으로 현미경의 시야 밖으로 매우 변형된 재료를 퍼뜨려 현장 데이터를 획득하는 것을 어렵게 만듭니다6. Y자형 절단은 블레이드(7)의 끝단에 큰 변형 영역을 집중시키기 때문에 미세 구조 시각화를 위한 독특한 대안을 제공합니다. 또한, 우리 그룹의 이전 연구는이 독특한 실험적 접근법이 원거리 필드 찢어짐과 접촉 매개하중 조건 7 사이의 실패 응답의 차이에 대한 통찰력을 제공 할 수 있음을 보여줍니다.
여기에 제시된 장치에 사용 된 Y 자형 절단 방법은 수십 년 전에 천연 고무8의 절단 방법으로 처음 설명되었습니다. 이 방법은 사전 로드된 Y자형 시험편을 통한 고정 블레이드 푸시 절단으로 구성됩니다. "Y"의 교차점에는 직사각형 조각의 일부를 두 개의 동일한 "다리"로 분할하여 테스트 전에 생성되는 균열 팁이 있습니다(그림 1B 및 그림 2D). 이 절단 방법의 주요 장점은 측정된 절단 에너지에 대한 마찰 기여도의 감소, 가변 블레이드 형상(즉, 균열 팁 형상의 제약), 파괴율의 제어(샘플 변위 속도를 통해 ), 절단, C의 개별 튜닝, 인열, T, 총 에너지 G절단 에 대한 에너지 기여(즉, 절단 임계값을 초과하는 고장 에너지 변경)8. 후자의 기여는 절단 에너지에 대한 간단한 폐쇄 형식 표현으로 표현됩니다.9
식 (1)
샘플 두께, t, 평균 다리 변형률, 예압 하중,
fpre 및 다리와 절단 축 사이의 각도 θ를 포함하여 실험적으로 선택된 매개 변수를 사용합니다. 절삭력 f절단은 Zhang et al.9에 자세히 설명된 대로 장치로 측정됩니다. 특히, 여기에 제시된 장치에는 다리 각도 θ를 조정하고 샘플이 중앙에 있는지 확인하기 위한 새롭고 간단하며 정확한 메커니즘이 포함되어 있습니다. 두 기능 모두 현미경 장착 설정에 중요하지만 이 메커니즘은 사용 편의성을 높여 Y자형 절단 테스트의 향후 수직 구현에도 도움이 될 수 있습니다.
연질 고체에 대한 적절한 파손 기준을 결정하는 과정은 Rivlin과 Thomas10에 의해 도입된 샘플 독립적 파괴 형상의 초기 성공 이후 계속되어 왔습니다. 임계 에너지 방출률(10), 응집 영역 법칙(11) 및 다양한 형태의 응력 또는 원거리 에너지 접근법(12,13,14)이 사용되었습니다. 최근 Zhang과 Hutchens는 후자의 접근 방식을 활용하여 반경이 충분히 작은 블레이드를 사용한 Y자형 절단이 연질 파괴7에 대한 임계값 파괴 조건, 즉 균일하고 탄성이 높은 폴리디메틸실록산(PDMS)에서 수십 나노미터에서 수백 나노미터 범위의 고장에 대한 임계값 길이 척도를 생성할 수 있음을 입증했습니다. 이러한 결과는 연속체 모델링 및 스케일링 이론과 결합되어 이러한 재료의 절단과 찢어짐 사이의 관계를 개발하여 모든 소프트 파손 모드에 대한 통찰력을 제공하는 Y자형 절단의 유용성을 입증했습니다. 그러나 소산 및 복합 재료를 포함한 많은 재료 클래스의 거동은 아직 탐구되지 않은 상태로 남아 있습니다. 이들 중 다수는 가시 광선의 파장 이상의 길이 스케일에서 미세 구조 제어 효과를 나타낼 것으로 예상됩니다. 따라서, 본 연구에서는 처음으로 Y자형 절단 동안 이들 효과의 면밀한 시각적 특성화를 허용하는 장치가 설계되었다(예를 들어, 연조직을 포함하는 복합재에서, 또는 마이크로미터 내지 밀리미터 길이 스케일(15)에서 예상되는 소산 공정에서).
1. 수정 및 소모품의 조정 및 제조
2. 기계 조립
3. 전기 조립
4. 장치 장착
5. 샘플 준비
6. 샘플 장착
알림: 이 단계에서 샘플이 손상되지 않도록 현미경 대물렌즈에 닿지 않도록 주의하십시오. 대물 렌즈와 현미경 스테이지를 조정하여 샘플 장착을 위해 가능한 한 많은 공간을 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.
7. 블레이드 장착
8. 장치 정렬
9. 테스트
4 단계와 6 단계에서 사용 된 매개 변수와 6 단계 및 9 단계에서 수집 된 데이터가 결합되어 샘플의 절단 에너지를 산출합니다. 식 1에 따르면, 절삭 에너지를 측정하려면 샘플 두께, t, 예압 하중, fpre 및 다리와 절삭 축 사이의 각도 θ와 같은 매개 변수가 필요합니다. 절삭력, f절단 및 평균 다리 변형률,
. 전자는 컴퓨터 코드를 통해 수집 된 강제 시간 데이터에서 비롯됩니다. 일반적인 테스트(그림 3A)의 힘-시간 데이터는 절단 시작에 일반적으로 필요한 높은 초기 힘과 일정한 힘이 뒤따르는 것을 보여 주며, 이는 정상 상태 절단을 나타냅니다. 절단력 f절단은 이 정상 상태 체제9 내에서 힘의 최대값입니다. 다리
의 평균 긴장률은 다음과 같이 주어진다.
식(2)
여기서 절단 전(단계 6.2 및 단계 6.3)의 사전 및 사후 로딩 샘플의 이미지는 λB1, λB2 및 λA를 측정하기 위한 광학 스트레인 게이지로사용됩니다. 마지막으로 이러한 값을 결합하여 식 1을 사용하여 절단 에너지를 계산합니다.
여기에 보고된 대표적인 결과인 초샤프 블레이드(반경 129nm), 다리 각도 32° 및 예압 75g(
= 1.04)의 경우 PDMS에 대해 132.96J/m2의 절단 에너지를 측정했습니다. 이 값은 132.9 J / m 2 ± 3.4 J / m2 의 조건에서 이전에 얻은 절단 에너지와 잘 일치하므로 여기에 설명 된 테스트 설정의 기계적 부분을 검증합니다9. 원한다면, 힘-시간 데이터는 현미경 스테이지 운동 프로토콜(예를 들어, 일정한 속도)을 사용하여 힘-변위 데이터로 대략적으로 변환될 수 있다.
현미경 이미지를 동시에 수집하기 위한 설정의 실행 가능성은 그림 3B에 나와 있습니다. 이러한 이미지는 1) 테스트 시작부터, 2) 절단 개시 이후, 3) 제조업체 10:1의 비율로 혼합된 스페클 패턴 PDMS 샘플에서 정상 상태 전체에서 2.5x 대물렌즈를 사용하여 수집됩니다. 테스트 내내 초점을 유지하고 기계 데이터와 광학 데이터 간의 일대일 대응을 시연했습니다. 얻은 현미경 이미지의 품질과 배율은 사용 된 시스템 / 목표 / 단계 / 프로그램 조합에 따라 달라집니다.

그림 1: 현미경에 장착된 Y자형 절단 장치의 CAD 이미지 . (A) 자동화된 XY 스테이지가 있는 도립 현미경 위에 장착된 전체 절단 장치. 표시되지 않은 것은 샘플에 예압력 fpre를 생성하기 위해 분동이 매달려 있는 시스템 뒤의 수직 풀리입니다. (B) 샘플은 단일 다리 "A"로 구성되며, 두 개의 동일한 다리 "B1"과 "B2"를 절단하여 다리 각도 θ를 가진 "Y"모양을 만듭니다. (C) 샘플 홀더는 현미경 스테이지의 슬롯 내에서 샘플을 제자리에 고정합니다. (D) 커스터마이징 가능한 블레이드 클립의 상단 뷰는 각도 조정 메커니즘의 피벗 포인트와 상단을 정렬하는 30.35mm 간격을 유지하면서 재설계가 다양한 높이의 블레이드를 수용하는 방법을 보여줍니다. (E) 수직 조정 시스템, 로드셀 및 블레이드 클립 장착 부품의 클로즈업 측면도. (F) 로드셀의 신호는 로드셀 출력(0-10 mV)을 데이터 수집 시스템의 0-5 V 범위로 변환하는 데 사용되는 증폭 회로에 의해 매개됩니다. (G) 이 회로는 인쇄회로기판을 이용하여 전원, 로드셀, 데이터 수집 시스템에 연결하여 구현한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 현미경 장착 Y자형 절단 장치의 사진. (A) 주요 설계 기능을 나타 내기 위해 가색 영역이 추가 된 작동 Y 자형 절단 장치의 사진. (B) 로드셀과 샘플 미드플레인의 대략적인 정렬을 보여주고 현미경 대물렌즈의 시야 내에 있는 절단할 영역을 나타내는 장치의 전방 보기. (블레이드 및 블레이드 클립은 장착되지 않았습니다.) (C) 전체 높이가 30.35mm인 장착된 블레이드 및 클립의 예. (D) 탭과 낚싯줄이 부착된 장착 전 PDMS Y자형 샘플. 예압 적용 시 평균 스트레치를 측정하기 위해 다리 "B1" 및 "B2"에 기준 마커가 추가되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 대표적인 현장 절단 결과. (A) 초샤프 블레이드(반경 129nm), 다리 각도 32° 및 예압
75g(= 1.04)을 사용한 PDMS의 힘-시간 곡선(10:1). 곡선의 탄성 하중, 절단 시작, 정상 상태 절단 및 언로딩 영역에 레이블이 지정됩니다. (B) 현미경으로 얻은 이미지에 해당하는 빨간색 원이 표시됩니다. 스페클 패턴 모션을 쉽게 관찰할 수 있도록 노란색 원이 추가되었습니다. 스케일 바 = 1mm. 타임스탬프(초)는 각 이미지의 왼쪽 상단 모서리에 포함됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Y자형 절단은 부드러운 재료의 파괴 관련 길이 스케일과 에너지를 측정합니다. 이전 장치는 벤치탑 측정을 위해 설계되었습니다. 이 프로토콜은 설정을 수평으로 향하게 하고 광학 현미경을 통해 현장 보기와 고장 정량화에 필요한 미세 위치 지정 기능을 제공하는 장치의 제조 및 사용을 설명합니다.
이 연구에 대한 조언을 해주신 James Phillips 박사, Amy Wagoner-Johnson 박사, Alexandra Spitzer 및 Amir Ostadi에게 감사드립니다. 자금은 일리노이 대학교 어바나-샴페인의 기계 과학 및 공학과에서 제공한 창업 보조금에서 나왔습니다. M. Guerena, J. C. Peng, M. Schmid 및 C. Walsh는 모두이 프로젝트에 대한 작업으로 수석 디자인 크레딧을 받았습니다.
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| 1" OD 풀리 | McMaster Carr | 3434T75 | 와이어 로프용 풀리 (대형) |
| 100 g 마이크로 로드셀 | RobotShop | RB-Phi-203 | |
| 1K 저항기 | Digi-Key | CMF1.00KFGCT-ND | 1 kOhms ± 1% 1W 스루홀 저항기 축방향 난연성 코팅, 내습성, 안전 금속 필름 |
| 1M 저항기 | Digi-Key | RNF14FAD1M00 | 1 MOhms ± 1% 0.25W, 1/4W 스루홀 저항기 축방향 난연성 코팅, 안전 금속 필름 |
| 3/8" OD 풀리 | McMaster Carr | 3434T31 | 와이어 로프용 풀리 |
| 4" 투명 각도기(읽기 쉬운 표시 | 포함) S& S Worldwide | LR3023 | |
| 브레드보드 | ECEB | N/A | |
| IC OPAMP ZERO-DRIFT 2 CIRC 8DIP | Digi-Key | LTC1051CN8#PBF-ND | |
| M2 x 0.4 mm 너트 | McMaster Carr | 90592A075 | 스틸 육각 너트 |
| M2 x 0.4 mm x 25 mm | McMaster Carr | 91292A032 | 18-8 스테인레스 스틸 소켓 헤드 스크류 |
| M2 x 0.4 mm x 8 mm | McMaster Carr | 91292A832 | 18-8 스테인레스 스틸 소켓 헤드 나사 |
| M3 x 0.5mm x 15mm | McMaster Carr | 91290A572 | 흑산화물 합금강 소켓 헤드 나사 |
| M3 x 0.5mm x 16mm | McMaster Carr | 91294A134 | 흑산화물 합금강 육각 드라이브 납작머리 나사 |
| M3 x 0.5mm, 4mm 높이 | McMaster Carr | 90576A102 | 중간 강도 강철 나일론 인서트 잠금 너트 |
| M4 x 0.7mm 너트 | McMaster Carr | 90592A090 | 강철 육각 너트 |
| M4 x 0.7mm x 15mm | McMaster Carr | 91290A306 | 흑산화물 합금강 소켓 머리 나사 |
| M4 x 0.7mm x 16mm | McMaster Carr | 91294A194 | 흑산화물 합금강 육각 구동 납작머리 나사 |
| M4 x 0.7mm x 18mm | McMaster Carr | 91290A164 | 흑산화물 합금강 소켓 머리 나사 |
| M4 x 0.7mm x 20mm | McMaster Carr | 91290A168 | 흑산화물 합금강 소켓 머리 나사 |
| M4 x 0.7mm x 20mm | McMaster Carr | 92581A270 | Stell 돌출 널링 헤드 나비 나사 |
| M4 x 0.7mm x 30mm | McMaster Carr | 91290A172 | 흑산화물 합금강 소켓 머리 나사 |
| M4 x 0.7mm x 50mm | McMaster Carr | 91290A193 | 흑산화 합금강 소켓 머리 나사 |
| M4 x 0.7mm, 5mm 높이 | McMaster Carr | 94645A101 | 고강도 강철 나일론 인서트 잠금 너트 |
| M5 x 0.8mm 너트 | McMaster Carr | 90592A095 | 강철 육각 너트 |
| M5 x 0.8mm x 16mm | McMaster Carr | 91310A123 | 고강도 클래스 10.9 강철 육각 머리 나사 |
| M5 x 0.8mm x 35mm | McMaster Carr | 91290A195 | 흑색 산화물 합금강 소켓 머리 나사 |
| M5 x 0.8 mm, 13 mm 헤드 직경 | McMaster Carr | 96445A360 | 플랜지 널링 헤드 엄지 너트 |
| M5 x 0.8 mm, 5 mm 높이 | McMaster Carr | 90576A104 | 중간 강도 강철 나일론 삽입 잠금 너트 |
| Solidworks | Dassault Systemes | CAD 소프트웨어 | |
| 배선 키트 | ECEB | N / A | |
| XYZ 축 수동 정밀 선형 스테이지 60mm x 60mm 트리밍 베어링 튜닝 플랫폼 슬라이딩 테이블 | 광학Focus | N/A | |
| Make Parts | |||
| Angle adjustment system- arm | 3D Printing | solidworks: arms_arm_single. SLDPRT 수량: 2 설정: 빠른/0.2mm 레이어 높이 | |
| 각도 조정 시스템- 팔 고정 | 3D 프린팅 | solidworks: arms_stationary. SLDPRT 수량: 1 설정: 빠른/0.2mm 레이어 높이 | |
| 각도 조정 시스템- 링크 | 3D 프린팅 | solidworks: arms_arm_link. SLDPRT 수량: 2 설정: 고속/0.2mm 레이어 높이 | |
| 각도 조정 시스템- 슬라이더 | 3D 프린팅 | solidworks: arms_slider. SLDPRT 수량: 1 설정: 고속/0.2mm 레이어 높이 | |
| 각도 조정 시스템- 스페이서 | 3D 프린팅 | 솔리드웍스: arms_front_spacer. SLDPRT 수량: 1 설정: 빠른/0.2mm 레이어 높이 | |
| 클립- 블레이드 클립 | 3D 프린팅 | solidworks: 블레이드 클립. SLDPRT 수량: 1 설정: 미세/0.1mm 레이어 높이 | |
| 클립- 블레이드 클립 마운트 | 3D 프린팅 | 솔리드웍스: 블레이드 클립 마운트. SLDPRT 수량: 1 설정: 미세/0.1mm 레이어 높이 | |
| 프레임 암 | 3D 프린팅 | 솔리드웍스: 프레임 암. SLDPRT 수량: 2 설정: 고속/0.2mm 레이어 높이 | |
| 마운팅 플랫폼 | 레이저 컷 아크릴 | 솔리드웍스: 마운팅 플랫폼. SLDPRT 수량: 1 | |
| 풀리 암 (왼쪽) | 3D 프린팅 | 솔리드웍스: 풀리 arm_Mirror.SLDPRT 수량: 1 설정: 고속/0.2mm 레이어 높이 | |
| 풀리 암 (오른쪽) | 3D 프린팅 | 솔리드웍스: 풀리 암. SLDPRT 수량: 1 설정: 고속/0.2mm 레이어 높이 | |
| 샘플 홀더 및 탭- 클램프 | 3D 프린팅 | 솔리드웍스: Clamp.SLDPRT 수량: 1 설정: 고속/0.2mm 레이어 높이 | |
| 샘플 홀더 및 탭- 샘플 홀더 | 3D 프린팅 | 솔리드웍스: 샘플 홀더. SLDPRT 수량: 1 설정: 빠르게/0.2mm 레이어 높이 | |
| 샘플 홀더 및 탭- 탭 | 3D 프린팅 | solidworks: Tab.SLDPRT 수량: 테스트당 2개 설정: 미세/0.1mm 레이어 높이, 가장자리 없음 | |
| 수직 조정 시스템- 내부 슬라이드 | 3D 프린팅 | solidworks: 내부 슬라이드. SLDPRT 수량: 1 설정: 빠른/0.2mm 레이어 높이 | |
| 수직 조정 시스템- 외부 슬라이드 | 3D 프린팅 | 솔리드웍스: 외부 슬라이드. SLDPRT 수량: 1 설정: 고속/0.2mm 레이어 높이 |